Способ импульсной стабилизации двухтактного статического преобразователя постоянного напряжения Советский патент 1989 года по МПК G05F1/46 H02M3/337 

1

(21)43 13625/24-07

(22)24.08.87

(46) 23„07.89. Бюл„ № 27 472) В.Н.Скачко (53) 621.316.722.(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР if 896610, кл. G 05 F 1/46, Н 02 М 3/335, 1979.

Авторское свидетельство СССР № 941968, кл. G 05 F 1/00, 1978,

(54) СПОСОБ ИМПУЛЬСНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ДВУХТАКТНОГО СТАТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

(57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике. Может быть использовано в системах электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - повышение КПД и улучшение

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике. Может быть использовано в системах электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - повышение КПД и улучшение динамических характеристик в условиях всплесков и провалов напряжения первичной сети при низком его значении. Транзисторы преобразователя 4 напряжения включают в заданный момент времени, определяемый напряжением от задающего генератора (ЗГ) 1. Прямоугольное опорное напряжение источника 13 и пилообразное напряжение формирователя 16, пропорциональное измеренному напряжению, являются двухполярными относительно одной из шин питания. При превышении по абсолютному значению амплитуды пилообразного напряжения над опорным формируют запрет на дальнейшую работу соответствующего транзистора преобразователя 4 с помощью модулятора 19. Формирование опорного напряжения возобновляется в момент очередной смены полупериода ЗГ 1. КПД повышается за счет работы источника 13 на переменном токе и выключения его во время пауз, а также за счет применения пассивной схемы модулятора 19. Амплитуда пилообразного напряжения определяется напряжением первичной сети, что улучшает динамические характеристики преобразователя 4. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

(Л

со

СД

65

динамических.характеристик в условиях всплесков h провалов напряжения первичной сети при низком его значении. Транзисторы преобразователя 4 напряжения включают в заданный мо- мент времени, определяемый напряжением от задающего генератора (ЗГ) 1. Прямоугольное опорное напряжение источника 13 и пилообразное напряжение формирователя 16, пропорциональное измеренному напряжению, являются двухполярньми относительно одной из шин питания. При превьшении по абсолютному значении амплитуды пилообразного напряжения над опорным формиИзобретение относится к электротехнике, в частности к преобразованию и стабилизации параметров электрической энергии, и может быть использовано в системах электропитания радиоэлектронной аппаратуры при необходимости получения постоянных стабилизированных напряжений из более низких постоянных нестабилизированных напряжений при предъявлении повышенных требований к коэффициенту полезного действия.

Цель изобретения - повьшение коэффициента полезного действия и улучшение динамических характеристик в условиях всплесков и провалов на- цряжения первичной сети при низком его эначениио

Ка фит.1 представлена схема устройства для реализации способа импульсной стабилизации двухтактного преобразователя напряжения; на фиг,2 - то же, для стабилизации напряжения или тока нагрузки; на фиГоЗ - эпюры в характерных точках схемы.

Устройство для осуществления .предложенного способа содержит задающий генератор 1, первый и второй ло- гические элементы 2И-НЕ 2 и 3, преобразователь 4 с транзисторами 5 и 6 и выходным трансформатором 7, имеющим первичную обмотку 8, вторичную обмотку 9 и служебную обмотку 10, выпрямитель 11, фильтр 12, источник 13 двухполярного опорного напряжения с двуханодным стабилитроном 14 и резис- .тором 15j формирователь 16 пилообразного напряжения, выполненный в ви

руют запрет на дальнейшую работу со- . ответствующего транзистора преобразователя 4 с помощью модулятора 19о Формирование опорного напряжения возобновляется в момент очередной смены полупериода ЗГ 1. КПД повьппа- ется за счет работы источника 13 на переменном токе и выключения его во время -пауз, а также за счет применения пассивной схемы модулятора 19 о Амплитуда пилообразного напряжения определяется напряжением первичной сети, что улучшает динамические характеристики преобразователя 4. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

5

0

5

0

5

0

5

де КС-цепи с конденсатором 17 и резистором 18, двухтактный широтно-км- пульсньш модулятор 19 с р-п-р транзистором 20 и п-р-п транзистором 21, переменным резистором 22 и рез.ис- торами 23 и 24, инвертирующий формирователь 25 импульсов на транзисторе 26 и неинвертирующий формирователь 27 импульсов на транзисторах 28 и 29„

- Устройство по фиг.2 содержит также, узел 30 обратной связи,оптронный резистор 31 с резистором 18 (в этом случае фоторезистор) и фотодиодом 32, а также резистор 33.

Первые входы логических элементов 2И-НЕ 2 и 3 подключены соответственно к противофазным выходам задающего генератора 1, а вторые входы - соответственно к выходам формирователей 25 и 27 импульсов. Выходы логических элементов подключены к управляющим входам транзисторов 5 и 6 преобразо- вателя 4. В.торичная обмотка 9 трансформатора 7 через выпрямитель 11 и фильтр 12 подключена к нагрузке непос редственно (фиг), а при стабилиза- ции напряжения или тока нагрузки (фиГо2) - через узел 30 обратной связи, на который подается также эталонное значение стабилизируемого параметра. Выходы широтно-импульсного модулятора 19, которыми являются коллекторы транзисторов 20 и 21, подключены к входам инвертирующего 25 и неинвертирующего 27 формирователей импульсов Первый вход широтно-импульсного модулятора 19, являющийся подвижньм выводом переменного резистора 22, крайние выводы которого подключены к эмиттерам транзисторов 20 k 21 через резисторы 23 и 24, подключен к выходу источника 13 двухполярного опорного напря ния. Входы формирователя 16 пилообразного напряжения и источника 13 опорного напряжения подключены к служебной обмотке 10 трансформатора 7. В случае стабилизации напряжения или тока нагрузки (фиг.2) в качестве резистора 18 используется фоторезистор 31 оптрона, свето- диод 32 которого через резистор 33 подключен к выходу узла 30 обратной связи.

Работа устройства для случая, когда напряжение первичной сети равно или несколько ниже напряжения стабилизации, осуществляется следующим .образом.

Задающий генератор 1 вырабатывает прямоугольные импульсы, сдвинутые между собой на обоих выходах на 180, в силу чего на оба логических элемента 2И-НЕ 2 и 3 подаются единицы от задающего генератора 1 попеременно (диаграммы 34 и 35). На других входах логических элементов 2И-НЕ 2 и 3 постоянно присутствует напряжение питания (логическая единица) и потому на выходах логических элементов 2И-НЕ 2 и 3 синхронно с единицами задающего генератора 1 появляются нули, от которых приводят-, ся в действие транзисторы 5 и 6 преобразователя 4 о На вторичной обмотке 9 его трансформатора 7 возникают прямоугольные импульсы, повторяющие форму напряжения задакмдего генератора I

В режиме стабилизации, наступающем при повышении входного напряжения в постоянном напряжении на двух входах логических элементов 2И-НЕ 2 и 3 формируются вырезы (нули). При этом идут следующие процессы: с обмотки 10 трансформатора 7 прямоугольное (формы Меандр или широтно-модулированное) напряжение через резистор 35 прикладывается к двуханодному стабилитрону 34 источника 13 опорного напряжения, на котором возникает двухполярное напряде50 транзистор 29 и теперь напряжение логического нуля устанавливается на коллекторе этого транзистора. С этого момента исчезает положительное напряжение единица) на втором входе

ние 36, стабилизированное по амплиту- 55логического элемента 2И-НЕ 2 или 3, де.(при любой полярности). Конденсат.который подключен к коллектору тран-. тор 17 ЕС-цепи формирователя 16 пило-зистора 26 или 29, введенного в сообразного напряжения в каждом полу-стояние проводимости (диаграммы 40 периоде заряжается, стремясь достиг-и 41).

нуть напряжения. обмоттсн 10, но ал достигает его, так как постоянная времени заряда этого кондексйтора выбирается больше половины периода Прямоугольного напряжения задающего генератора 1. При смене полупериода

происходит переразряд конденсатора 17 и напряжение на нем стремится тоже до напряжения обмотки 10, но уже противоположной полярности. Если на-

пряжение на стабилитроне 14 сразу же принимает полярность напряжения обмотки 10, то напряжение на конденсаторе 17 (37) может сравняться с напряжением стабилитрона 14 с запаздыванием в каждом полупериоде (диаграммы 36 и 37),,

При дальнейшем нарастании напряжения на конденсаторе 17 открьшается транзистор 20 широтно-импульсного модулятора 19 при положительной полярности напряжения стабилитрона 14 и конденсатора 17 либо транзистор 21 при отрицательной Базовые токи этих транзисторов протекают через резисторы 23 и 24 Появляются импульсы: либо положительные (диаграмма 38) на коллекторе транзистора 20 в одном

полупериоде, либо отрицательные (диаграмма 39) на коллекторе транзистора 21 - в другом полупериодео Длительность этих импульсов определяется соотношением амплитуд напряжений конденсатора 17 и стабилитрона 14, Начинаются эти импульсы (диаграммы 38 и 39) при превышении напряжением конденсатора 17 напряжения стабилитрона 14.

При положительной полярности импульсов ; (снимаемых с коллектора транзистора 20) открывается транзис- ор 26 инвертирующего формирователя 25 импульсов и напряжение на его коллекторе снижается до уровня ниже логического нуля, а при отрицательной - закрывается транзистор 28 в нейнвер- тирующем формирователе 27 импульсов, вследствие чего открьшается его

транзистор 29 и теперь напряжение логического нуля устанавливается на коллекторе этого транзистора. С этого момента исчезает положительное напряжение единица) на втором входе

логического элемента 2И-НЕ 2 или 3, который подключен к коллектору тран-. зистора 26 или 29, введенного в состояние проводимости (диаграммы 40 и 41).

На выходах логических элементов 2И-НЕ 2 и 3 образуется сигнал логической единицы (диаграммы 42 и 43), и открытый транзистор преобра зователя 4, относящийся к этому элементу 2И-НЕ, закрывается, В формируемом преобразователем двухполярном напряжении (диаграмма 44) образуется пауза, длящаяся, до конца текущего полупериода задающего генератора 1.

На время паузы исчезает опорное напряжение (диаграмма 36), а конден- сатор 17 разряжается, стремясь к нулю напряжения, однако вследствие того, что постоянная времени разряда выби- :рается большей максимально, возможной длительности паузы (не менее 2/3 полупериода) на всем ее протяжении, формирователь 25 импульсов,в одном полупериоде или формирователь 27 импульсов в другом удерживается в том же состоянии, которое он принял в начале паузы. Состояние этих форми- рователей (диаграммы 40 и 41) остается неизменным и после смены полу iпериодов задающего генератора 1 до, тех пор, пока в ходе начавшегося с новым полупериодом задающего генератора перезаряда (диаграмма 37) не прекратится базовьй ток транзистора 26 или транзистора- 29. При переходе напряжения конденсатора 17 через нуль импульсы, определившие состоя-, ние формирователей 25 и 27 импульсов на время паузы, заканчиваются.

Тем не менее,.благодаря логическому умножению напряжений на входах логических элементов 2И-НЕ 2 и 3 пауза в работе транзисторов 5 И 6 преобразователя 4 длится строго до окончани даиного полупериода. Поэтому крутизна переднего фронта отрицательных

импульсов на выходе логических элемен- д зируемого параметра с напряжением

тон 2И-НЕ определяется только быстродействием этих элементов. Крутизна заднего фронта импульсов также определяется быстродействием логических элементов 2И-НЕ и транзисторов форми- л рователей 25 и 27 импульсов несмотря на сравнение в широтно-импульсном модуляторе 19 при образовании этого фронта относительно мёдленнр н растаю- щего напряжения с неизменным до нача- ла сравнения опорным напряжением. Это объясняется наличием в схеме регенеративного процесса, при котором в ссг- мой начальной стадии фо{жирования зад

эталонного источника. Узел 30 обратной связи воздействует через резист 33 и светодиод 32 (фиг.2) резистор ного оптрона на резистор 18, котор в этом случае является фоторезисто ром 31 оптрона, изменяя постоянную времени RC-цепи формирователя 16 п лообразного напряжения - увеличива ее при уменьшении выходного параме ра, или уменьшая при его увеличени

Новый полупериод задающего гене тора обуславливает формирование пр облазователем 4 очередного широтно

0

0

5

0

него фронта происходит уменьтение опорного напряжения, что еще больше увеличивает напряжение на данном выходе широтно-импульсного модулятора, а это влечет за соббй еще большее понижение напряжения на выходе данного формирователя импульсов и в конечном счете лавинообразное повышение напряжения на выходе соответствующего логического элемента 2И-НЕ, выключение опорного напряжения и закрьшание ранее работавшего транзистора преобразователя.

Указанные явления обуславливают не только высокую крутизну фронтов импульсов, управляющих транзисторами преобразователя 4, но и идентичность длительностей полупериодов преобразователя. Начальная установи ка равенства этих полупериодов производится -переменным резистором( потенциометром) 22, которым компенсируются разбросы резисторов 23 и 24, а так5 же входных сопротивлений формирователей 25 и 27 импульсов и временных характеристик переключения транзисторов 5, 6, 26, 28 и 29.

С переключением задающего генерато0 ра начинается новый полуп иод преобразователя 4. Работает противополож- ньш его транзистор, активизируемый логическим элементом 2И-НЕ5 не действовавшим в предьщзш;ем полупериоде,

5 Конденсатор 17, достигая в процессе перезаряда напряжения стабилитрона 14, обуславливает начало паузы в текутцем полупериоде - вплоть до его окончания.

Для стабилизации выходного напряжения или тока независимо от тока нагрузки или ее сопротивления служит узел 30 обратной связИ;, который сравнивает напряжение с датчика стабилизируемого параметра с напряжением

эталонного источника. Узел 30 обратной связи воздействует через резистор 33 и светодиод 32 (фиг.2) резистор- ного оптрона на резистор 18, который в этом случае является фоторезистором 31 оптрона, изменяя постоянную времени RC-цепи формирователя 16 пилообразного напряжения - увеличивая ее при уменьшении выходного параметра, или уменьшая при его увеличении,

Новый полупериод задающего генератора обуславливает формирование пре- облазователем 4 очередного широтномодулированного импульса, соотношение длительности которого к длительности полупериода задающего генератора 1 определяется уровнем напряжения сети а при стабилизации напряжения или тока - нагрузки - ее характеристиками.

Предложенный способ импульсной стабилизации двухтактного статического преобразователя постоянного на- пряжения имеет то преимущество перед известными, что позволяет повысить коэффициент полезного действия, причем особенно существенно при малых мощностях преобразователя, когда мощ- ность, отдаваемая в нагрузку, сравнима с мощностью, используемой стабилизированным преобразователем для собственных нужд. Снижение потребления электрической энергии на собственные нужды обеспечивается следующими факторами.

Стабилитрон работает на переменном токе и нет потерь на вьтрямление (напряжение сети меньше напряжения стабилизации источника опорного напряжения).

Во время паузы в работе пресбра- зобателя в полупериодах источник опорного напряжения выключается и не по-

требляет ток.

I Операция сравнения пилообразного 1и прямоугольного напряжений производится практически без потребления энергии. К широтно-импульсному модулятору, выполняющему эту операцию, электрическая энергия от сети не подводится, т.е. схема модулятора пассивная. Его транзисторы 20 и 25 работают за счет того, что через юс переходы идет часть тока RC-цепи, в кото рой С - емкость конденсатора 17, а R - омическое сопротивление разветвленной цепи, в которую входят резнеторы 18,22-24 и входные сопротивления формирователей 25 и 27 импульсов.

Улучшение динамических характеристик в условиях всплесков и провалов напряжения первичной сети при низком ее значении обеспечивается за счет того, что амплитуда пилообразного напряжения непосредственно определяется напряжением первичной сети, а не в зависимости от выходного напряжения, являющегося результатом работы преобразователя после вьтрямления и . фильтрации, что свойственно для известного способа.

-

JQ |5 20

25

30

,с Q.,

50

5

В устройстве ЭТО реализовано за счет того, что напряжение служебной обмотки 10 трансформатора 7 преобразователя 4 линейно зависит от уровня напряжения первичной сети, а всякие изменения этого напряжения приводят к изменению амплитуды пилообразного напряжения КС-цепи формирователя 16 пилообразного напряжения и, следовательно, к изменению ;илительности импульсов широтно-импульсного модулятора 1 9 и преобразователя 4 без временных задержек, возникающих при регулировании с выхода фильтра.

При стабилизации напряжения или тока нагрузки по предложенному способу тоже появляется составляющая регулирования по выходному возмущению (в виде изменения величины резистора самой КС-цепи), но сохраняется и прямая зависимость амплитуды пилообразного напряжения от напряжения первичной сети.

Формула изобретения

0ug.2

38

39/

у

к

V

V